枢纽互通区域通航论证方法的研究

李 活，马 玥

(1.广西北投防城至东兴高速公路建设指挥部，广西 南宁 538021;2.广西交通科学研究院，广西 南宁 530007)

互通式立交是高速公路网中的枢纽和结点，互通区域内跨河桥梁沟通水、陆交通的同时，也会对航道通航产生一定的影响。受桥位自然资源、河道河型、路线走向以及资金预算的限制，桥梁跨度及墩台布设等往往不能符合相关规范要求。加之枢纽互通在较短河段内建有多座桥梁，侵占了较多通航水域，将使河床演变规律及水流条件发生改变，引起原河道通航条件恶化，给船舶的安全航行构成威胁。

桥位通航和桥跨布置涉及的因素和学科门类较多，需要采用跨学科的方法综合考虑。目前，国内对桥梁通航的论证主要体现在单座桥梁领域，论证方法的研究已取得一些成果:文献［1]概述了桥梁通航论证的方法，适用于单桥且未与实际工程相结合;文献［2]通过泸州长江公路三桥桥区河段的分析，优化了该桥的桥位、结构、航线选择，但仅对2种桥位方案与规范进行了对比论证。本文以茅岭互通区域为研究对象，考虑互通区域内多座桥梁对通航条件的影响，结合相关规范，更全面地对桥区的河床演变、桥位通航要求和净空尺寸等因素进行论证，提出最小通航净空宽度计算公式，为互通区域桥梁的设计提供参考。

1 工程概况

茅岭互通区域位于防城至东兴高速公路路线的起点，是广西壮族自治区高速公路网的重要组成部分。主线桥冲仑大桥为(7×30+45+2×45)m预应力混凝土T梁、异型箱梁，桥宽30 m，下部构造采用U桥台、扩大基础，柱式墩，桩基础。匝道桥一期工程共设5座，总长1 402.32 m。互通区域内桥梁结构形式多样，主线桥与匝道桥共6处跨越茅岭江的支流冲仑江。

2 桥区自然条件与河床演变

2.1 气象、水文条件及地形地貌特征

茅岭互通区域所在流域属南亚热带季风气候区和广西最大暴雨中心区，多年平均降雨量3 200 mm;平均气温22.4℃，最高气温37.8℃，最低气温0.9℃。

冲仑江为茅岭江流域出海口不远处的一级支流，冲仑江大桥桥位断面距冲仑江河口7.1 km。根据钦州水文(二)站1984—2003年实测资料，计算冲仑江大桥桥位断面设计水位见表1［3]，P为洪水每百年出现的次数。

表1 冲仑江大桥桥位断面设计水位

互通区域内低丘矮岭，总体地形起伏不大，主要为沿海丘陵地貌，路线处于广西东南沿海丘陵地区，工程地质条件一般。

2.2 桥区河段河床演变

河道演变是水流与河床之间以泥沙为媒介的相互作用，使得河床形态在自然状态或人工干扰状态下始终处于变化状态，反映了河道在水流作用下，组成边界的泥沙被冲刷搬运和沉积的过程［4]。

建桥前河床演变分析采用河床稳定性指标来判断。河道纵向稳定系数φ1采用改进的洛赫京公式估算

式中为床沙平均粒径，mm;J为河道比降，‰;h为平滩水位下的平均水深，m。

φ1愈大，河床愈稳定，当φ1＞1时，为纵向稳定河床。根据实测的地形地质资料推算，φ1=1.21，说明桥区河段的河床在纵向为稳定状态。

河床横断面稳定系数φ2可采用阿尔图宁公式来估算

式中B为平滩河宽，m;Q为平滩流量，m3/s。

φ2愈大，河床愈稳定，φ2＞1时为横向稳定河流。根据实测的地形地质资料推算，φ2=0.27，说明桥区河段的河道在横向是不稳定的。

综上分析，建桥前桥区河段处于微演变状态。

桥梁修建后，由于桥墩形式、尺寸以及河道水流、地质条件的不同，会对桥区河道河床演变产生不同的影响。桥墩周围产生局部冲刷，冲刷深度在1.5 m左右。由于桥墩在河槽外，桥墩对水流的影响范围不大，主要局限在桥墩周边附近水域，其它水域流速变化较小，整个河段的水流流速分布及主动力线在建桥前后均未出现明显变化，不存在建桥后引起主槽易位和摆动等河势改变的水流动力条件。因此建桥后除桥墩周界将产生冲刷影响外，桥区河段总体的河势条件及床面形态不会发生明显变化，该河段仍将保持稳定状态。

3 桥位通航要求论证

依据文献［5－6]的有关规定，并结合桥区的规模及特点进行桥位通航要求论证，主线和各匝道桥桥位的选择充分考虑了以下主要因素:

1)桥位优先选择于河道顺直、航道稳定、地质稳定的河段上。桥址处河道平面河势稳定，桥区河段冲淤基本平衡。桥位通航孔附近河床标高一般在－0.65 m左右，最低通航水位为1.89 m时，航槽水深约2 m左右，满足基本Ⅶ(2)级50 t船舶的航行要求。

2)建桥前后河段上的流场图近似，河道深泓基本位于河中，桥位选择在主流稳定、河槽通过流量较为集中的河道上。

3)本桥址选择成功避开了滩险、通航控制河段、分流口、汇流口、锚地，但目前冲仑江的水面宽度及水深尚不能满足等外级航道的通航条件，跨越冲仑江的钦州至防城港高速公路及大量的乡村道路、水利设施均未满足通航的要求。茅岭互通跨越冲仑江的主线及各匝道桥梁按照等外级航道的要求预留Ⅶ(2)级通航净空，桥址位置基本满足文献［5－6]的有关规定。

4)大桥上下游均有水上过河电线，但不碍航。据此，茅岭互通的桥位基本符合规范对桥位选择的有关规定，桥区的桥位方案是可行的。

4 桥梁通航净空尺寸

4.1 通航等级与代表船型的选取

冲仑江目前为不通航河流，茅岭互通区域所在河段的航道等级规划为等外级，工程按Ⅶ(2)级通航标准设计，设计的通航标准与广西壮族自治区内河水运发展规划相协调。通行船舶按50 t级考虑，根据文献［5]规定，结合冲仑江航道的实际情况，选择总长32.5 m、型宽5.5 m、吃水深度0.7 m的货船为代表船型作为本次论证的依据。

4.2 设计通航水位

工程所在河段受潮汐影响，根据文献［5]规定，考虑洪、潮水共同作用时，河段水位高于单独洪水作用的水位，以洪、潮水共同作用的水位最为不利。同时考虑到河段半山区性河流和等外级航道的特点，取P=20次/ha的建桥后水位(洪、潮水同时作用)作为最高通航水位，主线桥冲仑江大桥的最高通航水位为3.871 m，采用的通航标准满足规范要求，匝道桥水位见表2。

表2 桥梁通航净空高度m

钦江入海口与桥区所处的茅岭江入海口同处在茅尾海水域内，气候相似，潮汐性质相同，故设计低潮位直接引用钦州水文(二)站的设计成果。按实测的年最低潮位进行计算，P=90次/ha时，最低潮位为4.86 m，转化为黄海基面为－0.16 m。冲仑江大桥桥位断面处河床最低高程为－0.64 m左右，根据实测桥位断面，水面高程为－0.16 m时，过流断面面积仅为9 m2;未考虑潮水顶托作用情况下，P=90次/ha桥位上游洪水洪峰流量为105.6 m3/s时的水位为1.73 m，此时过流断面面积为81.8 m3，几乎是P=90次/ha最低潮位过流面积的10倍;按简化方法计算，桥位上游P=90次/ha洪水(未考虑潮水作用)对应的过流断面面积的1.1倍即为桥位处的过流断面面积，根据大桥水位与过流断面面积的关系，得到P=90次/ha洪、潮(年最低潮)水位为1.89 m。据此，采用P=90次/ha洪、潮(年最低潮)叠加综合洪水位，对应水位为1.89 m作为冲仑江大桥的最低通航水位，其余匝道桥最低通航水位也按这种方法计算，均满足规范要求。

4.3 通航净空高度

根据梁底标高、通航孔通航宽度范围内两侧的梁底标高，以及建桥后5 a一遇洪、潮水时桥位的水位可计算出水面上的净高及侧高，如表2所示。

Ⅶ(2)级航道过河建筑物通航净高为4.5 m，侧高为2.8 m，设计的各桥通航净高满足Ⅶ(2)级船舶过桥要求。

4.4 最小通航净空宽度

根据规范，天然和渠化河流水上过河建筑物轴线法线方向与水流交角≯5°时，通航净宽计算式为

式中Bm1为单孔单向通航净空宽度，m;BF为船舶或船队航迹带宽度，m，BF=Lsin β +bcos β，其中L为顶推船队或货船的长度，m，b为上下行船舶或船队会船时的安全距离，m，β为船舶或船队的航行漂角，(°)，Ⅰ～Ⅴ级航道可取6°，Ⅵ和Ⅶ级航道可取3°;△Bm为船舶或船队与两侧桥墩间的富裕宽度，m，Ⅰ～Ⅴ级航道可取0.6倍航迹带宽度;Pd为下行船舶或船队的偏航距，m。

冲仑江大桥轴线与水流正交，该桥代表船型有关参数选择、计算结果见表3。

对于河中桥墩造成碍航紊流时应增加的碍航紊流宽度B，文献［7]系统研究了桥墩墩柱周围表层水流涡漩区范围，计算公式为

式中D为桥墩宽度;Fr为弗汝德数;υ为断面平均流速;h为河道水深;g为重力加速度。

Fr＞0.10～0.14的弯道上，视流速大小B直接取每边0.7～1.9D。经过感潮和单独洪水作用下的计算比较，本桥在单独洪水作用下Fr=0.43，D=1.8 m，B=2.66 m，桥孔处通航最为不利。由此可见，冲仑江大桥最小通航净宽为:Bm1+B=21.43 m，满足规范要求的20 m通航净宽。

表3 大桥通航参数计算 m

4.5 通航孔数及桥墩布置

互通主线桥通航孔跨度为44.92 m，通航方式为单向通航。通航孔布置在主河槽，对通航干扰较小。桥墩无承台，桥墩不占通航水域，各匝道桥的桥墩布置和通航方式与主线桥相同(桥跨不同)，桥墩布置对通航基本无影响。

5 桥区通航条件与航线规划及安全保障措施

由河床演变分析及桥址附近基本情况可知，茅岭互通区域桥址附近河道河势、航槽较稳定，河道河型的变化对通航条件影响很小。桥梁桥墩全部设在主河道外，不干扰主流。但由于互通各匝道的走向原因，C匝道和AK0匝道桥轴线与水流交角较大，但在洪、潮水共同作用下，桥孔和桥区横向流速很小，水流不碍航。主线桥与各匝道桥互相之间距离最近为50 m，保证了特殊桥位的最小距离。建议在桥梁设计时可采用比需要的通航宽度大出较多的净跨度布置通航孔，且各孔相互对应，可将对通航的影响降至最低。

桥梁建设在客观上使桥区通航条件发生了变化，需结合桥轴线布置对桥区航线进行相应的调整布设。茅岭互通区域根据规范规定、桥区地形、通航孔位置等情况，规划航线尽量走主河道，并尽量直线通过互通各桥。

安全保障工作不仅关系到桥梁本身安全，同时也关系着桥区通航安全。工程开工前和建设过程中，施工单位应及时与当地航道主管部门密切联系，及时办理有关手续，并采取必要的安全措施，以确保通航。运营期间，为了确保船舶通航安全，桥区航道须设置必要的助航和防撞措施。总之，安全保障工作需要桥梁参建各方与交通和海事管理部门通力合作，确保桥梁施工、营运安全。

6 结论

1)通过气象、水文、地形地貌资料，对茅岭互通区域主线桥及匝道桥的河床演变、桥位通航要求和净空尺寸等因素进行重点分析和论证，并与相关规范进行对比，满足规范要求。

2)考虑地区经济发展的需要，在桥孔净宽范围内和规划的航迹带内不得设置影响Ⅶ(2)级航道开发的构筑物。

3)桥区河段属于感潮河流，洪水期水流条件复杂，为保证桥船安全，建设大桥时必须严格落实各项安全保障措施，并按有关规定办理相应手续。

4)5 a一遇洪水时，对于互通内横向流速较大的匝道桥，建议通过河道疏浚来减小或消除不利流态。

［1]马殿光.跨河桥梁通航的论证方法［J].水运工程，2006，395(11):63 －66.

［2]吴平.泸州长江公路三桥通航论证［J].武汉大学学报，2003，36(4):137 －140.

［3]高冬光.桥涵水文［M].北京:人民交通出版社，2006.

［4]张海燕.河流演变过程学［M].北京:科学出版社，1990.

［5]中华人民共和国建设部.GB50139—2004 内河通航标准［S].北京:人民交通出版社，2004.

［6]长江航道局.TJ287—2005 内河航道维护技术规范［S].北京:人民交通出版社，2005.

［7]胡旭跃，陈健强.桥位河段的航道整治工程［M].长沙:中南大学出版社，2006.